纵观智能手机、汽车电子、物联网和机器人/无人机等产业的发展,MEMS传感器成为了成就未来创新的颠覆性技术之一。近年来,国内外也是掀起一股MEMS热。日前,在传感器产业创新大会2017暨中国传感器与物联网产业联盟年会(Sensor China)上,东南大学MEMS教育部重点实验室主任黄庆安教授带来了“颠覆性技术:微纳传感器(MEMS)技术发展及应用”的演讲议题,深入探讨了传感器技术的演变及发展方向,并通过数据从智能手机、汽车、医疗/健康监护、物联网、机器人/无人机、军事应用六大市场分析了MEMS市场的发展前景。

如何实现传感器的大批量制造?

传感器在1880年出现,过去是多品种、小批量,主要用在工业和国防,很少为人所知。随着微纳米技术(MEMS)1987年出现,传感器制造方式变革为高精度并行制造,改变了传统传感器多品种、小批量的生产模式,进入人类生活,黄教授表示。

传感器的定义是,能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。完整的传感器包括传感器和电路两个部分,各有各的制造办法;合在一起就构成了多品种、小批量的格局。过去传感器部分价格贵、体积大、功耗也大,后端用的电路却是低成本、高性能,两者并不匹配。

集成电路由于采用高精度并行制造,实现了低成本、大批量的生产,同时由于采用硅材料(低成本),材料成本也非常低。

因此,业界提出了三个问题。1.能不能用集成电路制造方式生产传感器?这个问题现已实现。2.能不能把传感器和电路一起集成制造?这个问题已有一部分实现。3.能不能把传感器、电路、封装体、基本、电源一起集成制造?这个问题现在正在研究。大规模生产,意味着有大量市场和应用,因此我国从2000年开始就制定了MEMS研发计划,包括863计划和973计划中的MEMS内容。

物联网(先进传感器)被美国列为影响未来制造业的5项颠覆性技术之一

我国这几年MEMS比较热,在2014年突然涌现出多家MEMS公司。统计到2014年,中资MEMS企业当中有11家是做软件和专用电路设计;143家做MEMS产品设计;16家做MEMS封装与测试;20家是MEMS前端制造工艺线。

从我国自2006年以来发布的若干科技发展规划纲要中可以看出,传感器在我国国家发展战略中不可或缺。MEMS传感器则是未来颠覆性的技术之一。我们可以将创新分为两种,一种是渐进式技术创新,另一种是颠覆性技术创新。例如,机械照相机被数码照像机(CMOS图像传感器)替代,导致柯达公司倒闭,以及传统手机被智能手机(触摸屏和MEMS是其中两个核心技术),导致诺基亚陨落,就是颠覆性技术创新的两个典型案例。

2014年4月,美国先进制造业协会(MACFAM)在年会上讨论了对美国未来制造业影响的5项颠覆性技术:增材制造(3D打印)、先进材料(纳米材料)、下一代机器人、物联网(先进传感器)、人工智能。这五项现在都是社会的热点。

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MEMS市场的发展前景到底有多大?

那么MEMS市场的发展前景有多大?我们可以从消费类(主要是智能手机)、汽车、医疗与健康监护、物联网、机器人与无人机,以及军事这几个方面来看。

1.手机用MEMS。2014年全球手机销量达18亿部,其中智能手机占12亿部;中国市场销售的智能手机是1.03亿部。MEMS在智能手机里的主要应用包括:运动检测、环境检测、光学、声音、接口、激光测距、3D触摸、安全(例如指纹识别、人脸识别),以及通信(例如天线调谐器、滤波器、MEMS振荡器)。2007年时iPhone Edge用了5个传感器,2014年三星S5/iPhone 6中是12只传感器,到2021年手机中的传感器数量估计在20个左右。手机用传感器乘上手机的销售量就是一个非常大的量,2014年智能手机用MEMS达到了25亿美元。

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2.汽车用传感器。过去传感器在汽车中主要是用于实现安全(例如防撞)、节能(例如发动机流量、温度检测)以及舒适。近年来,传感器新增了一项应用——自动驾驶。2014年汽车全世界销量达8716万辆;中国销量为2369万辆,是世界第一大市场,占全世界27%的市场。其中,普通轿车上会装100只以上的传感器,20多万的豪华轿车上会装200多只传感器,再乘以汽车销量,也是一个非常大的市场。2014年汽车上的传感器数量超过了11亿只。

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3.医疗与健康监护MEMS。医疗与健康监护类设备朝小型化和集成化的方向发展,由台式机(医院)发展到便携式(家庭),再到可穿戴和可植入,可以在任何地方使用。这个趋势需要我们MEMS的传感器做到小型化,例如健康监护类的心率、血压传感器等。2015年医疗与健康监护MEMS的市场是45亿美元。

4.物联网传感器。物联网是一类战略性新兴产业。2012年美国T SENSORS SUMMIT峰会上指出,传感器是加速物联网产业链到1万亿美元的基础。物联网节点主要包括传感器、微能源/能量收集与存储管理以及收发模块三个部分;对传感器提出了低成本、低功耗和多功能的要求。物联网市场对微纳器件需求年增长率达53%,到2024年预计达到450亿美元。

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5.机器人与无人机用传感器。机器人与无人机应用领域和种类非常多。2014年机器人与无人机市场约250亿美元,预计到2020年会达到420亿美元。2014年机器人与无人机用传感器是3亿美元,到2020年估计会达到6亿美元。

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6.军用MEMS。MEMS最先出现是在80年代末期的美国军方应用。美国DARPA 90年代初期专门成立微系统办公室,将MEMS技术列为国防需求开发探索的核心技术之一。第一类是微型惯性器件,即MEMS加速度计和陀螺仪;MEMS加速度计和陀螺仪在2015年已经覆盖美军90%的战术制导武器。第二类是RF MEMS军事应用,即相控阵雷达与通信系统。第三类是微能源,希望用MEMS提高卫星等的能量密度。第四类,以微纳航天器为代表的天基为系统及其应用是航天技术发展的前沿,也是各国航天装备体系建设的重要方向。“卫星以前感觉是非常高端的事情,但是现在不是了,因为其中所用MEMS微型加速度、陀螺、推进器、星敏感器、成像器件、RF器件都已经实现了很低成本。”黄教授透露,“2015年9月20号我们在太远卫星发射中心的一箭20星项目,里面有12个就来自高校。”

与市场发展相匹配,MEMS制造技术在发展

为了实现上述这么大的市场,MEMS的制造技术也在发展,包括:硅+并行制造的MEMS制造方式、MEMS+电路的MEMS集成制造方式、MEMS+电路的MEMS集成制造方式、MEMS+电路的MEMS异质集成制造方式、MEMS三维异质集成制造方式等。“一个案例是智能灰尘(物联网节点)。物联网节点包括传感器、处理器、能量收集、能量存储、射频、天线和时钟等多个器件,90年代做的原型电路板很大,到今天则集成到了2mm×2mm×0.5mm一个芯片上。”黄教授补充。

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2015年全球传感器市场达1587亿美元,其中美国占29%,日本是19.5%,德国是11.3%,这三个国家加起来占了60%,说明还是发达国家占有传感器的市场。

我国传感器需求年增长率比较高(>20%),2015年中国用掉的传感器超过了1000亿人民币。因此,我国在“十三五”里提出了一个“制造基础技术与关键部件”(约24亿)的国家重点研发专项,对先进传感器做规划。另外,科技部今年7月也发布了科技创新规划,包括网络协同制造、绿色制造、智能机器人和工业传感器等。这其中工业传感器指的是高端的传感器,而不是消费类,黄教授解释道。

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